Cálculo de resistência

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1 Informação técnica Cálculo de resistência WIKA folha de dados IN Aplicações O cálculo de resistência em um poço de proteção é a prova matemática da capacidade do mesmo em resistir os esforços estáticos e dinâmicos do processo Características especiais Serviço de engenharia para dimensionamento de poços de proteção usinados de barra baseado na norma Recomendações de alterações estruturais nas especificações dos poços de proteção nos casos onde os limites de tensões admissíveis são excedidos Representação gráfica por elementos finitos (FEA), dos esforços na ponta e na base do poço de proteção Descrição O cálculo de resistência pela norma é utilizado para poços de proteção usinados de barra (sem emendas) na forma cônica, reta ou com rebaixo, por exemplo, nos modelos TW10, TW15, TW20, TW25 e TW30 ou poços de proteção usinados de barra. Os dados de processo necessários para realizar o cálculo conforme são: Unidade SI Inglesa Outros Velocidade m/s ft/s --- Densidade de meio kg/m³ lb/ft³ --- Temperatura C F --- Pressão bar psi --- Viscosidade dinâmica 1) mm²/s ft/1000s cp A WIKA garante que o cálculo foi feito com base na. O usuário final é responsável pela conformidade dos dados de processo usados no cálculo. Geralmente nenhuma garantia pode ser oferecida pela WIKA pelos resultados do cálculo conforme a. Os resultados têm apenas um caráter informativo. Para mudanças nas especificações onde as tensões admissíveis estão excedidas, as seguintes informações adicionais serão também necessárias: Diâmetro interno do bocal Altura do bocal (comprimento protegido) Diâmetro interno e a espessura da parede da tubulação 1) Opcional pela Página 1 de 7

2 Informação básica sobre a é dividida pelos resultados dos cálculos dinâmico e estático. Para gases de baixa densidade, o limite da frequência tipicamente é r máx. = 0,8. Para outros meios gasosos, a utilização no intervalo de r = 0,4 a 0,6 da ressonância em linha é permitida. Para meios líquidos, na maioria das aplicações, a razão máxima entre as frequências, r máx. é igual a 0,4. Pois este caso temos a ação da frequência de ressonância em linha. Ressonância em linha : r = 0,5 (drag-oscilação) Ressonância principal: r = 1 (lift-oscilação) rmáx rmáx 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 r = fs/fn Seção 6-8.2: Gases de baixa densidade N SC > 2,5 e R e < ,8 Seção e 6-8.4: Condição cíclica de estresse 0,4 0,6 0,8 Todos os outros casos: 0,4 A análise dos resultados dinâmicos é feita através do fator de amortecimento N SC (O número de Scruton N SC tem a relação direta com a razão permissível r máx., sendo a razão da frequência de excitação f s e a frequência natural f n ). Simplificado, para meios gasosos encontra-se normalmente N SC > 2,5; e em meios líquidos normalmente o valor é de N SC < 2,5. Os resultados estáticos da são gerados a partir da máxima pressão admissível de processo (dependendo da temperatura de processo e da geometria do poço de proteção) e da tensão de flexão na área de base do poço de proteção. A tensão de flexão é causada pela vazão incidente no poço de proteção, e está dependendo da altura do bocal do flange de espera. O número de Scruton N SC no cálculo depende do fator intrínseco de amortecimento, a densidade do material do poço de proteção, o meio de processo e o diâmetro da ponta e da base do poço de proteção. Para que a relação de frequência r < 0,8 seja usada também como limite permissível para meios líquidos, é necessário que seja verificada as tensões admissíveis no material do poço com as tensões reais em caso de ressonância. Adicionalmente, uma avaliação da resistência do material do poço de proteção deve ser realizada com relação aos esforços de fadiga à flexão na área da base do poço de proteção. Página 2 de 7

3 Recomendações de mudanças construtivas no poço de proteção, caso a razão permissível r máx. seja excedida. Ao exceder a frequência limite máxima r máx. para a ressonância in-line ou ressonância principal, as alterações construtivas abaixo podem ser uma solução: a) Redução do comprimento de inserção É o método mais efetivo (e o método recomendado pela ) para melhoria da razão de frequência r. b) Aumento do diâmetro da base do poço de proteção Aumentando o diâmetro de base, a frequência natural f n é aumentada, a razão da frequência r é otimizada. c) Aumento do diâmetro da ponta do poço de proteção Aumentando o diâmetro da ponta, a frequência de excitação fs é reduzida, otimizando a razão da frequência r. d) Utilização de colar O colar ou outros métodos de apoio estão fora do escopo da norma. O uso de colares geralmente é recomendado, uma vez que, um apoio rígido somente ocorrerá se na instalação um ajuste com interferência entre o colar e o bocal for obtido (ver itens 6-7 da ). Sob especifica solicitação por parte do cliente, os poços de proteção poderão ser construídos com colar. O poço de proteção será projetado de acordo com os critérios de cálculo da norma, porém isto faz parte do escopo da. Entretanto, o usuário torna-se responsável da instalação do poço de proteção com interferência no bocal, o que significa que normalmente este colar deve ser ajustado. Generalmente a garantia da utilização do colar é oferecida pela WIKA! e) ScrutonWell A construção ScrutonWell pode ser fornecida em poços de proteção usinados de barra com conexão flangeada, Vanstone ou para conexão ao processo soldada ou rosqueada. Esta construção reduz a amplitude de oscilação em mais de 90 % 1) e, ao mesmo tempo, permite uma instalação fácil e rápida do poço de proteção sem necessidade de retrabalhos caros em campo. O ScrutonWell WIKA foi aprovado em testes de laboratório pelo Instituto de Mecânica e Dinâmicas de Fluídos da Universidade de Freiberg, Alemanha. Para informações detalhadas, por favor, veja folha de dados SP Cálculo do ScrutonWell baseado na Pressão máxima permissível Tensão de flexão máxima permissível A parte dinâmica do cálculo de resistência é necessária, devido ao amortecimento da oscilação em mais de 90 % Poço de proteção modelo TW10 ScrutonWell é aplicável para poços de proteção fabricados de tubo. Por favor, entre em contato com seu representante WIKA para obter informações para métodos de cálculo para este tipo de construção. 1) Journal of Offshore and Mechanics and Artic Engineering Nov 2011, Vol 133/ , editora: ASME Página 3 de 7

4 Sequência de procedimentos para cálculo de resistência conforme norma Este diagrama de fluxo mostra passo a passo, a sequência de procedimentos para execução de um cálculo de resistência conforme de maneira plificada. Este diagrama relacionase apenas a falhas pela razão entre as frequências. Consulte a instrução de operação WIKA para ver a lista completa com as demais causas de falha. Poço de proteção está conforme o escopo da PTC 19.3 TW-2016 Cálculo de resistência conforme Revestimentos com camada de Stellite, superfícies rugosas, colar, construção helicoidal, furo com rebaixo ou outras construções especiais? Devido as variações nas construções de poços de proteção em combinação com vários parâmetros de processo, nem todos os cálculos de resistência podem ser aplicados neste procedimento. Se este procedimento for suficiente para solução do dimensionamento do poço, por favor, entrar em contato com um especialista da WIKA para suporte, pois uma análise especial em sua aplicação deve ser necessária. Por favor, entrar em contato com um especialista da WIKA. Colar ou ScrutonWell Cálculo de resistência conforme Resultado aprovado? Comprimento sugerido (L) > comprimento do bocal + espessura de parede do tubo + 2" (50 mm) Altere o comprimento para L opt e recalcular AVISO! Em caso de falha na solução, por favor, entrar em contato com um especialista da WIKA. Resultado aprovado? Aumenta diâmetro da ponta e/ou da base e recalcular Resultado aprovado? Final do cálculo de resistência Poço de proteção aprovado Página 4 de 7

5 Detalhes de construção Determinando a posição do primeiro colar O colar no poço de proteção é calculado conforme a seguir: Comprimento de bocal - 25,4 mm (1 polegada) Construção do bocal Exemplo: Comprimento de bocal 355,6 mm (14 polegadas). O colar de apoio é localizado a 330,2 mm (13 polegadas) da face do flange. Altura do bocal A altura do bocal é definida do diâmetro externo da tubulação até a parte externa da conexão (face do flange ou soquete de solda, etc.). Número e posição do colar Se a distância do primeiro colar da face do flange é menor que 127 mm (5 polegadas), somente será necessário a utilização de um colar. Se a distância do primeiro colar é maior que 127 mm (5 polegadas), a utilização de um segundo colar será necessária e este deverá ser posicionado na metade da distância entre o primeiro colar e a face do flange. Por favor, entre em contato com seu representante WIKA para bocais com comprimentos maiores que 762 mm (30 polegadas). Exemplo nº 1 - Dois colares O comprimento do bocal é de 356 mm (14 polegadas). O primeiro colar é colocado a 356 mm (14 polegadas) 25,4 mm (1 polegada) = 330 mm (13 polegadas). Como esta distância é maior que 127 mm (5 polegadas), um segundo colar será necessário. A posição deste colar será calculada conforme a seguir, com 330 mm (13 polegadas) / 2 = 165mm (6,5 polegadas). As a posição do segundo colar é de 165mm (6,5 polegadas) da face do flange. Colar 2 Colar 1 Exemplo nº 2 Um colar O comprimento do bocal é de 114 mm (4,5 polegadas). O colar será colocado na seguinte posição, comprimento de 114 mm (4,5 polegadas) 25,4 mm (1 polegada) = 89 mm (3,5 polegadas). Como este comprimento é menor que 127mm (5 polegadas) somente um colar será necessário. Página 5 de 7

6 Montagem típica no bocal Detalhes 45 mm (1,75") Ajuste com interferência entre o colar e diâmetro interior do bocal 12,7 mm (½") veja Detalhes A A Colar com 4 pontos Processo Comprimento de inserção Ured Seção A - A Diâmetro externo do colar recomendável conforme as dimensões o bocal DN Unidade Diâmetro exterior do colar SCH.10 SCH.40 SCH.STD SCH.80 SCH.XS SCH.160 SCH.XXS 1" polegadas 1,107 1,059 1,059 0,967 0,967 0,825 0,609 mm 28,1 26,9 26,9 24,6 24,6 21,0 15,5 1 ½" polegadas 1,692 1,620 1,620 1,510 1,510 1,348 1,110 mm 43,0 41,1 41,1 38,4 38,4 34,2 28,2 2" polegadas 2,167 2,077 2,077 1,949 1,949 1,697 1,513 mm 55,0 52,8 52,8 49,5 49,5 43,1 38,4 Diâmetro máximo da base recomendável conforme as dimensões o bocal DN Unidade Diâmetro da base sugerido abaixo do colar SCH.10 SCH.40 SCH.STD SCH.80 SCH.XS SCH.160 SCH.XXS 1" polegadas 0,938 0,875 0,875 0,813 0,813 0,688 0,500 mm 23,8 22,2 22,2 20,6 20,6 17,5 12,7 1 ½" polegadas 1,500 1,375 1,375 1,250 1,250 1,125 1,000 mm 38,1 34,9 34,9 31,8 31,8 28,6 25,4 2" polegadas 1,875 1,750 1,750 1,625 1,625 1,500 1,250 mm 47,6 44,5 44,5 41,3 41,3 38,1 31,8 Página 6 de 7

7 Especificações de construção conforme Descrição Forma cônica e reta Forma com rebaixo Mínima Máxima Mínima Máxima Comprimento de inserção L 63,5 mm (2,5") 609,6 mm (24") 127 mm (5") 609,6 mm (24") Diâmetro de furo d 3,175 mm (0,125") 20,9 mm (0,825") 6,1 mm (0,24") 6,7 mm (0,265") Diâmetro da ponta B 9,2 mm (0,36") 46,5 mm (1,83") - - Relação de conicidade entre B/A 0, Relação entre B/A para B = 12,7 mm - - 0,5 0,8 Relação entre B/A para B = 22,2 mm - - 0,583 0,875 Relação entre d/b 0,16 0, Relação entre L/B Relação entre Ls/L ,6 Espessura mínima de parede (B-D)/d 3 mm (0,12") - 3 mm (0,12") - Legenda Comprimento de inserção conforme ASME PTC 19.3 TW-2016 L Diâmetro de furo d B Diâmetro da ponta B V Diâmetro da base A Q nas folhas de dados da WIKA U Se as dimensões do poço de proteção forem baseadas em especificações do cliente ou aplicações especificas, e estas estiverem em desacordo com os requisitos da norma, os resultados de cálculo serão apenas em caráter informativo. Nestas condições, a WIKA poderá oferecer nenhuma garantia. Dados necessários para cálculo Os exemplos na tabela abaixo mostram a disposição dos dados de processo e as especificações do poço de proteção numa planilha para que a WIKA possa calculá-los. Tabela de exemplo de dados necessários para o cálculo Tag nº T P v rho Viscosidade Modelo Dimensões em mm Material em C em bar em m/s em kg/m³ dinâmica em cp L Ø d Ø A Ø B Tt NID NL (EN/ASTM) TW ,5 23,6 2,4 0,013 TW , ,4 38, L (1.4435) TW ,5 25,7 2,0 0,017 TW , ,4 38, L (1.4435) TW ,6 6,1 0,015 TW , ,4 38, L (1.4435) TW ,9 0,014 TW , ,4 38, Ti (1.4571) TW ,9 28,3 0,013 TW , ,4 38, Ti (1.4571) TW ,5 31,9 10,1 0,017 TW , ,4 38, Ti (1.4571) 07/2016 PT based on 04/2016 EN Legenda Tag nº Identificação do instrumento T Temperatura P Pressão v Velocidade rho Densidade do meio de processo 2014 WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG, todos os direitos são reservados. As especificações e dimensões apresentadas neste documento representam a condição de engenharia no período da publicação. Modificações podem ocorrer e materiais especificados podem ser substituídos por outros sem aviso prévio. L Ø d Ø A Ø B T t Comprimento de inserção Diâmetro do furo Diâmetro da base Diâmetro da ponta Espessura da ponta N ID Diâmetro interno do bocal N L Comprimento do bocal Modelo Modelo do poço de proteção WIKA Página 7 de 7 WIKA do Brasil Ind. e Com. Ltda. Av. Úrsula Wiegand, Iperó - SP/Brasil Tel Fax [email protected]